DE69829936T2 - Ceramic cutting tool - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Schneidwerkzeug. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein keramisches Schneidwerkzeug, das zum Schneiden von z.B. sphärolithischem Gusseisen (Kugelgraphitguss) geeignet ist.The The present invention relates to a ceramic cutting tool. In particular, the present invention relates to a ceramic Cutting tool suitable for cutting e.g. spherulitic cast iron (nodular cast iron) suitable is.
In den vergangenen Jahren zeigte sich hinsichtlich der Erhöhung der Geschwindigkeit und Effizienz von maschineller Bearbeitung ein rascher Fortschritt. Hochleistungs-Keramikmaterialien, die mit dieser Tendenz Schritt halten können, waren gefragt. Beispielsweise weist Titancarbonnitrid einen hohen Schmelzpunkt und Härte und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und zeigt keinen Abfall der Wärmeleitfähigkeit bei hohen Temperaturen. Daher ist Titancarbid als Hochtemperaturmaterial mit einer hohen Temperaturwechselbeständigkeit bekannt. Titancarbid kann jedoch kaum gesintert werden. Es wurde daher als unerlässlich erachtet, dass Titancarbid mit einem Metall komplexverbunden (complexed) wird, wie beispielsweise Co und Ni, um ein Cermet auszubilden, das es ermöglicht, ein dichtes gesintertes Produkt zu erhalten, das für Schneidwerkzeuge usw. verwendet werden kann. Cermet weist jedoch einige Nachteile auf. Da die also integrierten Metalle die Wärmebeständigkeit von Cermet verschlechtern, lässt sich kaum sagen, dass die exzellente Wärmebeständigkeit von Titancarbid effektiv zur Geltung gebracht werden kann. Wenn beispielsweise ein Schneidwerkzeug aus Cermet für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eines Materials auf Basis von Eisen, das eine hohe Festigkeit und Duktilität aufweist, wie beispielsweise sphärolithisches Gusseisen, verwendet wird, erreicht es auf Grund seiner schwachen Wärmebeständigkeit bald das Ende seiner Lebensdauer.In The past few years have shown in terms of increasing the Speed and efficiency of machining become faster Progress. High performance ceramic materials with this tendency Can keep up, were in demand. For example, titanium carbonitride has a high Melting point and hardness and a low thermal expansion coefficient and shows no drop in thermal conductivity at high temperatures. Therefore, titanium carbide is a high temperature high temperature material Thermal shock resistance known. Titanium carbide, however, can hardly be sintered. It was therefore, as essential considers that titanium carbide is complexed with a metal is such as Co and Ni to form a cermet, the allows, to obtain a dense sintered product suitable for cutting tools etc. can be used. Cermet, however, has some disadvantages on. Because the integrated metals degrade the heat resistance of cermet, let yourself Hard to say that the excellent heat resistance of titanium carbide is effective can be brought to bear. For example, if a cutting tool from Cermet for the high-speed processing of a material based on Iron having high strength and ductility, such as nodular Cast iron, used, it achieves due to its weak heat resistance soon the end of his life.
Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wurde ein keramisches Material auf Titancarbid-Basis vorgeschlagen, das eine feste Lösung eines Metalls in Titancarbid aufweist, um nachteiligen Auswirkungen bei hohen Temperaturen zu entgegen zu wirken und eine verbesserte Warmebeständigkeit aufzuweisen, (JP-B-2-25866 (der hierin verwendete Begriff "JP-B" bedeutet eine "geprüfte japanische Patentveröffentlichung"), JP-A-62-36065 (der hierin verwendete Begriff "JP-A" bedeutet eine "nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung)). Obwohl das in den oben genannten Veröffentlichungen offenbarte keramische Material eine gute Wärmebeständigkeit besitzt, weist es unvorteilhaft erweise eine weit geringere Festigkeit als das vorherige Cermet auf und neigt zu Fragmentierung.Around to eliminate these difficulties became a ceramic material proposed on a titanium carbide basis, which is a solid solution of a Metal in titanium carbide has adverse effects on high temperatures to counteract and improved heat resistance (JP-B-2-25866 (the term "JP-B" as used herein means an "examined Japanese Patent Publication "), JP-A-62-36065 (incorporated herein) used term "JP-A" means an "unaudited Japanese Patent publication)). Although the ceramic disclosed in the above publications Material a good heat resistance it disadvantageously has a much lower strength than the previous cermet and tends to fragmentation.
Andererseits wurde als ein keramisches Material auf Titancarbid-Basis, das eine verbesserte Festigkeit besitzt und gleichzeitig seine guten Hochtemperatur-Eigenschaften beibehält, eines vorgeschlagen, das dann integrierte Silikoncarbid-Whiskerkristalle enthält (JP-B-8-16028). Obwohl dieses keramische Material auf Titancarbid-Basis auf Grund der Integrierung von Silikoncarbid-Whiskerkristallen eine verbesserte Festigkeit aufweist, neigt es unvorteilhafterweise dazu, dass Silikon in den Whiskerkristallen mit Eisen in dem zu schneidenden Material reagiert, was zu einer bemerkenswerten Verschlechterung der Abriebfestigkeit führt, wenn es zum Schneiden eines Materials auf Basis von Eisen, insbesondere sphärolithischem Gusseisen, verwendet wird.on the other hand was conceived as a titanium carbide based ceramic material containing a has improved strength and at the same time its good high-temperature properties maintains, one proposed, then integrated silicon carbide whisker crystals contains (JP-B-8-16028). Although this ceramic material is based on titanium carbide due to the incorporation of silicon carbide whisker crystals having improved strength, it disadvantageously tends to that silicone in the whiskers with iron in the to be cut Material reacts, causing a remarkable deterioration the abrasion resistance leads, when it comes to cutting a material based on iron, in particular nodular Cast iron, is used.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein keramisches Schneidwerkzeug bereitzustellen, das hauptsächlich eine harte Phase auf Basis von Titan mit einer exzellenten Wärmebeständigkeit und Abriebfestigkeit aufweist, das eine ausgezeichnete Festigkeit aufweist und in der Lage ist, ein festes Material auf Basis von Eisen, wie beispielsweise sphärolithisches Gusseisen, zu schneiden.A The object of the present invention is a ceramic cutting tool to provide that mainly a hard phase based on titanium with excellent heat resistance and abrasion resistance, which has excellent strength and is capable of a solid material based on Iron, such as spherulitic Cast iron, to cut.
Das
keramische Schneidwerkzeug, das unter einem ersten Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung definiert wird, weist in seinem wesentlichen
Teil ein keramisches Material auf, das hauptsächlich eine harte Phase auf
Titancarbonnitrid-Basis aufweist, die hauptsächlich Titancarbonnitrid aufweist,
und eine auf Aluminiumoxid basierende Phase aufweist, die hauptsächlich Aluminiumoxid
aufweist, wobei die harte Phase auf Titancarbonnitrid-Basis und
die auf Aluminiumoxid basierende Phase die folgenden Beziehungen
erfüllen:
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen und die folgenden begleitenden Zeichnungen beschrieben:The The invention will now be described with reference to exemplary embodiments and the following accompanying drawings:
In dem keramischen Material, das für das Schneidwerkzeug verwendet wird, wie unter dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung definiert, weist Titancarbonnitrid, das hauptsächlich die harte Phase ausbildet, die Vorteile von Titancarbid, das eine exzellente Wärmebeständigkeit und eine hohe Festigkeit besitzt, und von Titannitrid auf, das eine hervorragende Festigkeit aufweist. Auf diese Weise kann ein keramisches Schneidwerkzeug mit einer hervorragenden Wärmebeständigkeit und Abriebfestigkeit ausgeführt werden. Des Weiteren ist Aluminiumoxid, das hauptsächlich die Phase auf Basis von Aluminiumoxid ausbildet, eine chemische stabile Substanz mit einer exzellenten Säurebeständigkeit, das eine geringe freie Energie erzeugt. Die Dispersion von Aluminiumoxid in Titancarbonnitrid ermöglicht es, die Säurebeständigkeit und chemische Stabilität des keramischen Materials als Ganzes zu verbessern. Selbst wenn es daher zum Schneiden von Material auf Basis von Eisen verwendet wird, unterliegt das keramische Material keiner übermäßigen Reaktion, wodurch es möglich wird, die Abriebfestigkeit des Schneidwerkzeugs weiter zu verbessern. Diese Auswirkungen insgesamt ermöglichen es, ein festes Material auf Basis von Eisen, wie beispielsweise sphärolithi sches Gusseisen, mit einer hohen Geschwindigkeit zu schneiden und ein keramisches Schneidwerkzeug mit einer längeren Lebensdauer auszuführen.In the ceramic material used for the cutting tool is used as in the first aspect of the present invention comprises titanium carbonitride, mainly the hard phase, the benefits of titanium carbide, the one excellent heat resistance and has high strength, and of titanium nitride, which has a has excellent strength. In this way, a ceramic Cutting tool with excellent heat resistance and abrasion resistance accomplished become. Furthermore, alumina, which is mainly the Phase based on alumina forms, a chemical stable Substance with excellent acid resistance, which generates a small amount of free energy. The dispersion of alumina in titanium carbon nitride it, the acid resistance and chemical stability of the ceramic material as a whole. Even if it is therefore used for cutting iron-based material is, the ceramic material is not subject to excessive reaction, causing it possible will further improve the abrasion resistance of the cutting tool. Allowing these effects altogether it, a solid iron-based material, such as Sphärolithi sches Cast iron, cut at a high speed and a perform ceramic cutting tool with a longer life.
WAl2O3, das dem Aluminiumoxid-Gehalt in dem keramischen Material entspricht, wird auf einen Bereich von 10 bis 45 Gew.-% eingestellt. WTiCN, das dem Gehalt der harten Phase auf Titancarbonnitrid-Basis in dem keramischen Material entspricht, wird auf einen Bereich von 51 bis 89,5 Gew.-% eingestellt. Des Weiteren werden WAl2O3, + WTiCN auf einen Bereich von 96 bis 99,5 Gew.-% eingestellt. Diese Werte haben die folgenden entscheidenden Bedeutungen.WAl 2 O 3 corresponding to the alumina content in the ceramic material is set in a range of 10 to 45 wt%. WTiCN corresponding to the content of titanium carbonitride-based hard phase in the ceramic material is adjusted to a range of 51 to 89.5 wt%. Furthermore, WAl 2 O 3 , + WTiCN are adjusted to a range of 96 to 99.5 wt%. These values have the following crucial meanings.
Wenn WAl2O3 unter 10 Gew.-% fällt, ist die daraus resultierende Auswirkung auf die Verbesserung der Säurebeständigkeit und chemischen Stabilität des keramischen Materials unzureichend. Wenn WAl2O3 im Gegensatz dazu 45 Gew.-% überschreitet, wird der relative Gehalt von Titancarbonnitrid (d.h. WTiCN) reduziert, wodurch das keramische Material weniger wärmebeständig und hart wird. Es wird bevorzugt, dass WAl2O3 auf einen Bereich von 20 bis 30 Gew.-% eingestellt wird, wodurch die Ausgewogenheit zwischen Härte und Festigkeit des keramischen Materials berücksichtigt wird.When WAl 2 O 3 falls below 10% by weight, the resulting effect on improving the acid resistance and chemical stability of the ceramic material is insufficient. In contrast, when WAl 2 O 3 exceeds 45% by weight, the relative content of titanium carbonitride (ie, WTiCN) is reduced, whereby the ceramic material becomes less heat-resistant and hard. It is preferred that WAl 2 O 3 be adjusted to a range of 20 to 30 wt%, thereby taking into account the balance between hardness and strength of the ceramic material.
Wenn WTiCN unter 51 Gew.-% fällt, wird der relative Gehalt von Titancarbonnitrid (d.h. WTiCN) reduziert, wodurch das keramische Material weniger wärmebeständig und hart wird. Wenn WTiCN im Gegensatz dazu 89,5 Gew.-% überschreitet, wird der relative Gehalt von Aluminiumoxid reduziert, wodurch die Auswirkung auf die Verbesserung der Säurebeständigkeit und chemischen Stabilität des keramischen Materials unzureichend wird. Es wird bevorzugt, dass WTiCN auf einen Bereich von 66 bis 79,5 Gew.-% eingestellt wird.If WTiCN falls below 51% by weight, the relative content of titanium carbonitride (i.e., WTiCN) is reduced, whereby the ceramic material is less heat resistant and hard. If WTiCN in contrast exceeds 89.5 wt .-%, the relative content of alumina is reduced, causing the Effect on improving the acid resistance and chemical stability of the ceramic Material becomes insufficient. It is preferred that WTiCN be applied to one Range is set from 66 to 79.5 wt .-%.
Wenn des Weiteren WAl2O3, + WTiCN unter 96 Gew.-% fallen, ist der Gehalt an Aluminiumoxid und Titancarbonnitrid, der das keramische Material in der Hauptsache ausbildet, unzureichend, wodurch es unmöglich wird, die gewünschten Werkzeug-Eigenschaften zu erhalten. Wenn WAl2O3, + WTiCN andererseits 99,5 Gew.-% überschreiten, ist der Gehalt einer Sinterhilfe-Komponente, die später beschrieben wird, unzureichend, wodurch es unmöglich wird, ein hochdichtes gesintertes Produkt zu erhalten.Further, when WAl 2 O 3 + WTiCN falls below 96% by weight, the content of the aluminum oxide and titanium carbonitride which mainly forms the ceramic material is insufficient, making it impossible to obtain the desired tooling properties. On the other hand, when WAl 2 O 3 , + WTiCN exceeds 99.5 wt%, the content of a sintering aid component, which will be described later, is insufficient, making it impossible to obtain a high-density sintered product.
Das unter einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung definierte keramische Schneidwerkzeug ist ein keramisches Schneidwerkzeug gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, wobei KN/(KC + KN) und KTi/(KC + KN) auf einen Bereich von jeweils mehr als 0 bis nicht mehr als 0,5 und nicht weniger als 0,6 bis nicht mehr als 0,9 eingestellt werden unter der Annahme, dass KTi der molare Gehalt der Ti-Komponente in dem keramischen Material ist, KC der molare Gehalt der C-Komponente in dem keramischen Material ist, und KN der molare Gehalt der N-Komponente in dem keramischen Material ist.The in a second aspect of the present invention Ceramic cutting tool is a ceramic cutting tool according to the first Aspect of the present invention, wherein KN / (KC + KN) and KTi / (KC + KN) to a range of more than 0 to not more than 0.5 and not less than 0.6 to not more than 0.9 are assuming that KTi is the molar content of the Ti component in the ceramic material, KC is the molar content of the C component in the ceramic material, and KN is the molar content of the N component in the ceramic material.
Wie vorher erwähnt, weist Titancarbonnitrid sowohl die Vorteile von Titancarbid, das eine exzellente Wärmebeständigkeit und eine hohe Härte besitzt, als auch die von Titannitrid auf, das eine hervorragende Festigkeit aufweist. Die Einstellung des Werts von KN/ (KC + KN) gestattet eine gute Ausgewogenheit der ersteren Eigenschaften und der letzteren Eigenschaften. Wenn beispielsweise gewünscht wird, insbesondere Härte oder Wärmebeständigkeit zu erhöhen, kann der Wert von KN/ (KC + KN) leicht reduziert werden, d.h. der Gehalt der C-Komponente kann erhöht werden. Wenn im Gegensatz dazu gewünscht wird, eine höhere Festigkeit sicherzustellen, kann der Wert von KN/ (KC + KN) vorher leicht höher festgelegt werden, d.h. der Gehalt der N-Komponente kann erhöht werden. Wenn der Wert von KN/ (KC + KN) jedoch 0,5 überschreitet, kann das daraus resultierende keramische Material eine unzureichende Härte oder Wärmebeständigkeit aufweisen. Der Wert von KN/ (KC + KN) beträgt vorzugsweise nicht mehr als 0,3.As previously mentioned, Titanium carbonitrile has both the advantages of titanium carbide, the an excellent heat resistance and a high hardness owns, as well as titanium nitride, which is an excellent Has strength. The setting of the value of KN / (KC + KN) allows a good balance of the former properties and the latter properties. For example, if desired, in particular hardness or heat resistance to increase, For example, the value of KN / (KC + KN) can be slightly reduced, i. of the Content of the C component can be increased become. On the contrary, if it is desired to ensure a higher strength, the value of KN / (KC + KN) can be previously set slightly higher, i. the content of the N component can be increased. If the value of KN / (KC + KN) exceeds 0,5, the resulting ceramic material may be insufficient Hardness or heat resistance exhibit. The value of KN / (KC + KN) is preferably no longer than 0.3.
Wenn der Wert von KTi/ (KC + KN), der das Verhältnis des Gehalts der Ti-Komponente zu demjenigen des Gehalts von leichten Elementen (C, N) ist, unter 0,6 fällt, können sich instabile Verbindungen absetzen, die unter Umständen die chemische Stabilität des keramischen Materials beeinträchtigen oder die Hochtemperatur-Eigenschaften des Materials verschlechtern. Wenn andererseits der Wert von KTi/(KC + KN) 0,9 überschreitet, können sich freie leichte Elemente absetzen, oder die Sinterfähigkeit des Materials kann sich verschlechtern, wodurch sich leicht Hohlräume bilden können, welche die Härte, Festigkeit oder Beanspruchbarkeit des Materials verringern.If the value of KTi / (KC + KN), which is the ratio of the content of the Ti component to that of the content of light elements (C, N) is below 0.6 drops, can settle unstable compounds that may cause the chemical stability of the ceramic material or affect the high temperature properties of the material. On the other hand, if the value of KTi / (KC + KN) exceeds 0.9, can settle free light elements, or the sinterability The material may deteriorate, easily forming voids can, which the hardness, Reduce the strength or strength of the material.
Das unter einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung definierte keramische Schneidwerkzeug ist ein keramisches Schneidwerkzeug gemäß dem ersten oder zwei ten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, wobei der durchschnittliche Teilchendurchmesser der harten Phase auf Titancarbonnitrid-Basis in dem keramischen Material nicht mehr als 0,5 μm beträgt.The in a third aspect of the present invention Ceramic cutting tool is a ceramic cutting tool according to the first or zwei th aspect of the present invention, wherein the titanium carbonitride-based hard phase average particle diameter in the ceramic material is not more than 0.5 microns.
Die vorherige Festlegung des durchschnittlichen Teilchendurchmessers der harten Phase auf Titancarbonnitrid-Basis auf den oben definierten Bereich ermöglicht es, ein keramisches Schneidwerkzeug auszuführen, das des Weiteren eine hervorragende Härte, Beanspruchbarkeit und Festigkeit aufweist. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der harten Phase auf Titancarbonnitrid-Basis wird vorzugsweise vorher auf nicht mehr als 0,3 μm festgelegt. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Aluminiumoxid-Phase wird vorzugsweise vorher auf nicht mehr als 1,0 μm festgelegt, um ein keramisches Material mit ausreichender Beanspruchbarkeit und Härte bereitzustellen.The previous definition of the average particle diameter the titanium carbonitride based hard phase on the above defined Area allows it is to carry out a ceramic cutting tool, which further comprises a excellent hardness, Has resistance and strength. The average Titanium carbonitride-based hard phase particle diameter is preferably previously set to not more than 0.3 μm. The average Particle diameter of the alumina phase is preferably not previously more than 1.0 μm set to a ceramic material with sufficient resistance and hardness provide.
Das unter einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung definierte keramische Schneidwerkzeug ist ein keramisches Schneidwerkzeug gemäß irgendeinem der ersten bis dritten Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung, wobei das keramische Material eine Sinterhilfe-Komponente, die hauptsächlich andere Metalloxide als Al2O3 enthält, mit einem darin integrierten Anteil von 0,5 bis 4 Gew.-% aufweist.The ceramic cutting tool defined in a fourth aspect of the present invention is a ceramic cutting tool according to any one of the first to third aspects of the present invention, wherein the ceramic material comprises a sintering aid component mainly containing metal oxides other than Al 2 O 3 with an integrated therein Proportion of 0.5 to 4 wt .-%.
Die Integrierung einer derartigen Sinterhilfe-Komponente in dem keramischen Material gestattet die Beschleunigung des Sintervorgangs, wodurch es ermöglicht wird, konstant ein dichtes keramisches Schneidwerkzeug mit einer hohen Beanspruchbarkeit zu erhalten. Wenn der Gehalt der Sinterhilfe-Komponente unter 0,5 Gew.-% fällt, können die vorher genannten Auswirkungen nicht ausreichend zur Geltung gebracht werden. Wenn im Gegensatz dazu der Gehalt der Sinterhilfe-Komponente 4 Gew.-% überschreitet, kann die Wärmebeständigkeit des Materials beeinträchtigt werden.The Integration of such a sintering aid component in the ceramic Material allows the acceleration of the sintering process, which allows is, constantly a dense ceramic cutting tool with a to obtain high resistance. If the content of the sintering aid component below 0.5% by weight, can the aforementioned effects are not sufficiently effective to be brought. In contrast, if the content of the sintering aid component Exceeds 4% by weight, can the heat resistance of the material become.
Das unter einem fünften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung definierte keramische Schneidwerkzeug ist ein keramisches Schneidwerkzeug gemäß irgendeinem der ersten bis vierten Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung, wobei das keramische Material eine oder mehrere metallische Komponenten aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die Mg, Ca, Zr, Hf und R umfasst, (wobei R eines oder mehrere Seltenerdelemente umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu umfasst), die mit einer Gesamtmen ge von 0,5 bis 4 Gew.-% dann integriert sind, was in Form von MgO für Mg, CaO für Ca, ZrO2 für Zr, HfO2 für Hf, CeO2 für Ce, Pr6O11 für Pr, Tb4O7 für Tb und M2O3 für den Rest der metallischen Komponenten berechnet wurde, (wobei M die Seltenerdelemente ausschließlich Ce, Pr und Tb darstellt).The ceramic cutting tool defined in a fifth aspect of the present invention is a ceramic cutting tool according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, wherein the ceramic material has one or more metallic components selected from the group consisting of Mg, Ca, Zr , Hf and R (wherein R comprises one or more rare earth elements selected from the group consisting of Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm , Yb and Lu), which are then incorporated with a total amount of from 0.5 to 4% by weight, which is in the form of MgO for Mg, CaO for Ca, ZrO 2 for Zr, HfO 2 for Hf, CeO 2 for Ce, Pr 6 O 11 for Pr, Tb 4 O 7 for Tb and M 2 O 3 for the rest of the metallic components was calculated (where M represents the rare earth elements excluding Ce, Pr and Tb).
Die vorgenannten Metallkomponenten können in das Material in der Form von Oxid integriert werden. Beim Sintern werden diese Metallkomponenten geschmolzen und gesintert, um eine flüssige Phase auszubilden, die als eine Sinterhilfe zum Beschleunigen des Sintervorgangs wirkt. Es wird angenommen, dass diese Metallkomponenten in dem auf diese Weise gesinterten Metall meistens in der Form von Oxid vorhanden sind. Allerdings bilden diese Metallkomponenten oft eine amorphe Glasphase aus und können daher kaum in der Form von einzelnem Oxid identifiziert werden. In diesem Fall kann der Gesamtgehalt dieser Metallkomponenten von 0,5 bis 4 Gew.-% reichen, wie in der Form von einzelnem Oxid berechnet. Wenn der Gehalt dieser Metallkomponenten, wie in der Form von Oxid berechnet, unter 0,5 Gew.-% fällt, kann ein dichtes keramisches Material kaum erhalten werden. Wenn im Gegensatz dazu der Gehalt dieser Metallkomponenten, wie in der Form von Oxid berechnet, 4 Gew.-% überschreitet, kann die Wärmebeständigkeit des Materials beeinträchtigt werden.The aforementioned metal components can be integrated into the material in the form of oxide. During sintering, these metal components are melted and sintered to form a liquid phase which acts as a sintering aid to accelerate the sintering process. It is believed that these metal components in the thus-sintered metal are mostly in the form of oxide. However, these metal components often form an amorphous glass phase and thus can hardly be identified in the form of single oxide. In this case, the total content of these metal components range from 0.5 to 4 wt .-%, as calculated in the form of single oxide. When the content of these metal components as calculated in the form of oxide falls below 0.5% by weight, a dense ceramic material can hardly be obtained. In contrast, when the content of these metal components as calculated in the form of oxide exceeds 4% by weight, the heat resistance of the material may be impaired.
Das unter einem sechsten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung definierte keramische Schneidwerkzeug ist ein keramisches Schneidwerkzeug gemäß irgendeinem der ersten bis fünften Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung, wobei das keramische Material eine Bruchfestigkeit von nicht weniger als 5,6 MPam½ aufweist.The ceramic cutting tool defined in a sixth aspect of the present invention is a ceramic cutting tool according to any one of the first to fifth aspects of the present invention, wherein the ceramic material has a breaking strength of not less than 5.6 MPam ½ .
Das unter einem achten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung definierte keramische Schneidwerkzeug ist ein keramisches Schneidwerkzeug gemäß irgendeinem der ersten bis sechsten Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung, wobei das keramische Material eine Vickers-Härte Hv von nicht weniger als 2.200 aufweist.The in an eighth aspect of the present invention Ceramic cutting tool is a ceramic cutting tool according to any the first to sixth aspects of the present invention, wherein the ceramic material has a Vickers hardness Hv of not less than 2,200.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, ein keramisches Schneidwerkzeug auszuführen, das eine hohe Festigkeit und eine hohe Härte aufweist, wie vorher erwähnt. Das auf diese Weise erhaltene keramische Schneidwerkzeug kann ein festes Material auf Basis von Eisen, wie beispielsweise sphärolithisches Gusseisen, mit einer hohen Geschwindigkeit problemlos schneiden. Der Bruchfestigkeitswert, wie er hier in verwendet wird, gibt den Wert an, der durch das IF-Verfahren (Indentation-Fracture-Method/Eindruck-Bruch-Verfahren) aus den Bruchfestigkeitsprüfverfahren gemessen wurde, die in JIS-R1607 (1990) definiert sind.The Application of the present invention makes it possible to use a ceramic Execute cutting tool, which has a high strength and a high hardness, as previously mentioned. The In this way, obtained ceramic cutting tool can be a solid Iron-based material, such as spherulitic Cast iron, cut easily at a high speed. The breaking strength value as used in here gives the Value obtained by the IF method (indentation-fracture method) from the breaking strength test method measured in JIS-R1607 (1990).
Der Prozess zur Herstellung des vorgenannten Schneidwerkzeugs (keramisches Material) wird im Folgenden beschrieben.Of the Process for producing the aforementioned cutting tool (ceramic Material) is described below.
Das Mischen und Mahlen des Ausgangsmaterialpulvers kann mittels eine bekannten Mischmittels erfolgen, wie beispielsweise Kugelmühle, Rührwerkskugelmühle und V-Mischer. In Titancarbonnitrid muss der Wert von KN/ (KC + KN) oder KTi/ (KC + KN) eingestellt werden. Die Einstellung dieser Werte kann durch Einstellen des Mischverhältnisses von Titancarbid-Pulver und Titannitrid-Pulver erfolgen, die als Ausgangsmaterialien verwendet werden. Alternativ kann Titancarbonnitrid mit einem gewünschten Mischverhältnis von Kohlenstoff und Stickstoff verwendet werden. Alternativ kann eine Behandlung wie beispielsweise Nitrieren und Entkohlung in einer nichtoxidierenden Atmosphäre als einer Sinteratmosphäre erfolgen, um den Wert von KN/ (KC + KN) oder KTi/ (KC + KN) einzustellen.The Mixing and milling of the starting material powder can by means of a known mixing agent, such as ball mill, stirred ball mill and V-blender. In titanium carbonitride the value of KN / (KC + KN) or KTi / (KC + KN) must be set become. The adjustment of these values can be done by adjusting the mixing ratio Titanium carbide powder and titanium nitride powder, which as Starting materials are used. Alternatively, titanium carbonitride with a desired one mixing ratio be used by carbon and nitrogen. Alternatively, you can a treatment such as nitriding and decarburization in one non-oxidizing atmosphere as a sintering atmosphere to adjust the value of KN / (KC + KN) or KTi / (KC + KN).
Das vorgenannte Ausgangsmaterialpulver kann in eine gewünschte Form geformt werden und anschließend einer Sinterung unterzogen werden, wie beispielsweise Heißpressen, normalem Sintern und HIP-Behandlung, um ein Schneidwerkzeug zu erzeugen. Während des Sinterns muss das Ausgangsmaterial auf eine Temperatur von 1.500 °C bis 2.000 °C erwärmt werden.The The aforementioned raw material powder can be in a desired shape be formed and then be subjected to sintering, such as hot pressing, normal sintering and HIP treatment to produce a cutting tool. While sintering, the starting material must be heated to a temperature of 1,500 ° C to 2,000 ° C.
BEISPIELEEXAMPLES
Die vorliegende Erfindung wird in den folgenden Beispielen weiter beschrieben.The The present invention will be further described in the following examples.
Als Ausgangsmaterialien wurden die folgenden Materialien verwendet:
- (1) TiC0,9 und Ti(C0,7N0,3)0,85 mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,0 μm;
- (2) Al2O3 mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,8 μm; und
- (3) CaO, MgO, ZrO2, Y2O3, Yb2O3 und Dy2O3 mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,8 bis 2 μm.
- (1) TiC 0.9 and Ti (C 0.7 N 0.3 ) 0.85 having an average particle diameter of 1.0 μm;
- (2) Al 2 O 3 having an average particle diameter of 0.8 μm; and
- (3) CaO, MgO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Dy 2 O 3 having an average particle diameter of 0.8 to 2 μm.
Die verschiedenen Ausgangsmaterialien wurden in einem vorher festgelegten Verhältnis zugemessen und dann mit Azeton 30 Stunden lang in einer Edelstahl-Kugelmühle nassgemahlen. Danach wurde das Gemisch in einem Trockner getrocknet, um Azeton zu verdunsten. Auf diese Weise wurde ein Basispulver erhalten.The different starting materials were used in a pre-determined relationship and then wet-ground with acetone for 30 hours in a stainless steel ball mill. Thereafter, the mixture was dried in a dryer to acetone to evaporate. In this way, a base powder was obtained.
Das Basispulver wurde mit der in Tabelle 1 angegebenen Sintertemperatur mit dem in Tabelle 1 angegebenen Sinterverfahren gesintert, um ein Schneidwerkzeug zu erhalten, das dann einer Vergleichsprüfung mit Vergleichsbeispielen unterzogen wurde. In dem vorliegenden Beispiel wurden die folgenden Sinterverfahren verwendet:
- (1) Heißpressen bei einem Druck von 200 kgf/cm2 in Ar-Atmosphäre für 30 Minuten (im Folgenden nur als "H.P." bezeichnet);
- (2) Normales Sintern unter reduziertem Druck in einer Atmosphäre von (Ar + N2) für 1 Stunde (im Folgenden nur als "NS" bezeichnet); und
- (3) Primäres Sintern unter reduziertem Druck in einer Atmosphäre von (Ar + N2) für 1 Stunde, gefolgt von sekundärem Sintern mit heißisostatischem Pressverfahren (HIP) bei 1.500 °C und 1.500 atm in AR-Atmosphäre für 2 Stunden (im Folgenden nur als "HIP" bezeichnet).
- (1) hot pressing at a pressure of 200 kgf / cm 2 in Ar atmosphere for 30 minutes (hereinafter referred to as "HP"only);
- (2) Normal sintering under reduced pressure in an atmosphere of (Ar + N 2 ) for 1 hour (hereinafter referred to as "NS"only); and
- (3) Primary sintering under reduced pressure in an atmosphere of (Ar + N 2 ) for 1 hour, followed by secondary hot isostatic pressing (HIP) sintering at 1,500 ° C and 1,500 atm in AR atmosphere for 2 hours (hereinafter only referred to as "HIP").
In den Verfahren (2) und (3) wurde die Nitrierung oder Entkohlung gleichzeitig mit dem Sintern bei verschiedenen Mischverhältnissen von Ar und N2 und atmosphärischen Drücken ausgeführt, um die Zusammensetzung des gesinterten Produkts einzustellen.In the methods (2) and (3), nitriding or decarburization was carried out simultaneously with sintering at different mixing ratios of Ar and N 2 and atmospheric pressures to adjust the composition of the sintered product.
Das
so erhaltene gesinterte Produkt wurde mit einer Diamantschleifscheibe
poliert, um das Schneidwerkzeug-Prüfstück mit einer Form anzufertigen,
die in den
Die verschiedenen Prüfstücke wurden jeweils auf Hochglanz poliert und dann auf Dichtenverhältnis zu theoretischem Wert (relative Dichte), Druckfestigkeit und Vickers-Härte gemessen. Für die Messung der Bruchfestigkeit (Kc) wurde das in JIS-R1607 (1990) definierte IF-Verfahren verwendet. In einigem Detail wurde ein Vickers-Eindruckstempel (Vickers indenter) 30 Sekunden lang unter einer Belastung von 30 kgf gegen das Prüfstück gepresst. Die Vickers-Härte wurde durch den Eindruckbereich und die Belastung ermittelt. Das Prüfstück wurde auf polierte Oberfläche durch ein Abtastelektronenmikroskop beobachtet. Aus dem so erhaltenen Bild wurde der durchschnittliche Teilchendurchmesser der harten Phase auf Titancarbonnitrid-Basis (oder der harten Phase auf Titancarbid-Basis) ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.The different test pieces were each polished to a high gloss and then to density ratio to theoretical Value (relative density), compressive strength and Vickers hardness measured. For the Measurement of breaking strength (Kc) became that defined in JIS-R1607 (1990) IF method used. In some detail a Vickers imprint stamp became (Vickers indenter) for 30 seconds under a load of 30 kgf pressed against the test piece. The Vickers hardness was determined by the imprint area and the load. The Test piece was on polished surface observed by a scanning electron microscope. From the picture thus obtained became the average particle diameter of the hard phase titanium carbonitride-based (or titanium carbide-based hard phase) determined. The results are shown in Table 2.
Zum Ermitteln der Zusammensetzung der verschiedenen Prüfstücke wurde der Gewichtsanteil von Ti-Komponente (WTi), Al-Komponente (WAl) und Metallkomponente als Sinterhilfe mittels Fluoreszenz-Röntgenanalyse identifiziert, und der Gewichtsanteil der C-Komponente (WC) und der N-Komponente (WN) wurde mittels Gasanalyse ermittelt. Anschließend wurde WAl zu Oxidbasis umgewandelt (converted to oxide basis), um den Gewichtsanteil von Aluminiumoxid WAl2O3 zu ermitteln. Der Gewichtsanteil der harten Phase (WTiCN) oder WTiC) wurde aus WTi + WC + WN (oder WTi + WC) ermittelt. Die verschiedenen Gewichtsanteile wurden zu molaren Gehalten umgewandelt, um den vorgenannten Wert von KN/ (KC + KN) und KTi/ (KC + KN) zu ermitteln. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Auger-Elektronenspektroskopie und Röntgen-Fotoelektronenspektroskopie zeigten, dass fast alle C-Komponenten und N-Komponenten in das gesinterte Produkt in der Form eines Verbunds mit Titan integriert sind, d.h. in die harte Phase auf Titancarbonnitrid-Basis oder in die harte Phase auf Titancarbid-Basis integriert werden.To determine the composition of the various test pieces, the weight fraction of the Ti component (WTi), Al component (WAl) and metal component was identified as a sintering aid by means of fluorescence X-ray analysis, and the weight fraction of the C component (WC) and the N component ( WN) was determined by gas analysis. Subsequently, WAl was converted to oxide base (converted to oxide base) to determine the weight fraction of alumina WAl 2 O 3 . The weight fraction of the hard phase (WTiCN) or WTiC) was determined from WTi + WC + WN (or WTi + WC). The various parts by weight were converted to molar contents to obtain the above value of KN / (KC + KN) and KTi / (KC + KN). The results are shown in Table 1. Auger electron spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy showed that almost all of the C components and N components are integrated into the sintered product in the form of a composite with titanium, ie, the titanium carbonitride-based hard phase or the hard phase on titanium carbide. Be integrated.
Die verschiedenen Prüfstücke (keramisches Schneidwerkzeug) wurden unter den folgenden Bedingungen auf Schneideigenschaften bewertet.The various test pieces (ceramic Cutting tool) were subjected to cutting properties under the following conditions rated.
(Schneidprüfung für Abriebfestigkeit)(Cutting test for abrasion resistance)
Ein
Stangenerzeugnis (Arbeitsmaterial) W mit einer in
Erzeugnis: sphärolithisches Gusseisen (JIS:
FCD600), runde Stange (Außendurchmesser ∅:
240 mm; Länge: 200
mm)
Schneidgeschwindigkeit V: 250 m/min
Vorschub f: 0,2
mm/Drehung
Schneidtiefe d: 0,5 mm
Schneidöl: wasserlösliches
Schneidöl
Typ W1, Nr. 1, Z (eines, das in JISK2241 (1986) definiert ist, oder
eines mit nicht weniger als 90% eines emulgierten nichtflüchtigen
Gehalts mit einem pH-Wert von 8,5 bis 10,5, und das 0 bis 30 Gew.-%
einer aliphatischen Säure,
50 bis 80 Gew.-% eines Mineralöls
und 15 bis 35 Gew.-% eines oberflächenaktiven Mittels aufweist).A bar product (working material) W with an in
Product: spherulitic cast iron (JIS: FCD600), round rod (outer diameter ∅: 240 mm, length: 200 mm)
Cutting speed V: 250 m / min
Feed f: 0.2 mm / turn
Cutting depth d: 0.5 mm
Cutting oil: water-soluble cutting oil type W1, No. 1, Z (one defined in JISK2241 (1986) or one having not less than 90% of emulsified nonvolatile content of pH 8.5 to 10.5, and 0 to 30% by weight of an aliphatic acid, 50 to 80% by weight of a mineral oil and 15 to 35% by weight of a having surfactant).
Die
Position des Prüfstücks
Beurteilung:
Nach Beendigung des Schneidvorgangs wurde der Abrieb Vn auf der
Aussparungsseite der Schneidekante (Höhe des Abriebs in der Schneiderichtung
auf der normalen Seiten-Aussparungsoberfläche
(Schneidprüfung für Verlustbeständigkeit) (loss resistance)(Cutting test for loss resistance) (loss resistance)
Ein
Stangenerzeugnis W mit einer in
Erzeugnis:
sphärolithisches
Gusseisen (JIS: FCD600), runde Stange mit 12 in regelmäßigen Intervallen
vorgesehenen Längsrillen
(Außendurchmesser ∅:
240 mm; Länge:
200 mm; Rillentiefe: 40 mm; Rillenbreite: 5 mm)
Schneidgeschwindigkeit
V: 150 m/min
Vorschub f: 0,25 mm/Drehung
Schneidtiefe
d: 0,5 mm
Schneidöl:
das Gleiche, das für
die Schneidprüfung
für die
Abriebbeständigkeit
verwendet wurde
Beurteilung: Es sind eine Reihe von Beaufschlagungen
erforderlich, bis ein Verlust Eintritt (Anzahl von Durchgängen über die
Rillen)A bar product W with an in
Product: Spherolitic cast iron (JIS: FCD600), round rod with 12 longitudinal grooves provided at regular intervals (outer diameter ∅: 240 mm, length: 200 mm, groove depth: 40 mm, groove width: 5 mm)
Cutting speed V: 150 m / min
Feed f: 0.25 mm / turn
Cutting depth d: 0.5 mm
Cutting oil: the same as used for the abrasion resistance cutting test
Assessment: A number of exposures are required until a loss of entry (number of passes across the grooves)
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.The Results are given in Table 2.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die keramischen Schneidwerkzeug-Prüfstücke gemäß der vorliegenden Erfindung Schneideigenschaften aufweisen, die sowohl für Abriebbeständigkeit und Verlustbeständigkeit hervorragend sind.These Results show that the ceramic cutting tool test pieces according to the present invention Invention have cutting properties, both for abrasion resistance and loss resistance outstanding are.
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